CN101795639A - 可成形的生物陶瓷 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了包含羟基磷灰石纳米晶体、明胶和含溶胶-凝胶的材料的可成形的生物陶瓷。还描述了制备和使用该生物陶瓷的方法。可成形的生物陶瓷显示出优异的机械强度、弹性、生物相容性和形成能力，并且靶向于骨修复和模板辅助组织工程应用。

Description

可成形的生物陶瓷
发明领域
本发明总地涉及可成形的生物陶瓷，更尤其涉及基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷(GEMOSOL)，甚至更尤其地涉及基于氨基二氧化硅的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷(GEMOSIL)。
现有技术的描述
许多不同的材料已被用于骨置换和骨替换，然而，迄今为止所使用的材料不像天然骨那么好。这些骨代用品尚不理想，因为它们具有悬殊的机械性质并且通常表现出不那么理想的生物相容性。
在骨置换方面的尝试使用各种各样的异质材料，但是引起相关的问题。已被用于置换骨结构的金属，诸如不锈钢和钛，被发现与它们被植入或附着的骨的性质在机械方面不匹配。另外，这些材料由于磨粒和浸出离子诸如镍、钴、铬、铝和钒离子而经常引起过敏性反应和炎症。特氟隆(Teflon)关节植入物已被使用，但是当用在要求反复和力量的应用中，诸如被用作颌植入物时，已知发生碎裂和侵蚀。生物惰性材料诸如氧化铝和氧化锆陶瓷表现出许多与金属植入物有关的相同问题。
其它方法已使用许多与在天然骨中被发现的相同的材料，试图获得更可行的和更耐用的骨置换材料。天然骨是主要由羟基磷灰石晶体和胶原蛋白组成的细胞外基质，羟基磷灰石在体温下在胶原蛋白上充分矿化。羟基磷灰石/胶原蛋白结合的强度以及胶原纤维的质量和成熟度对于骨的机械性质而言是重要的。因此，这些尝试中有许多集中于开发羟基磷灰石和胶原蛋白的混合物用于骨代用品，然而，胶原蛋白是昂贵的材料，并且胶原蛋白与羟基磷灰石的反应很难控制。这种缺乏控制导致材料具有减少的和/或不一致的机械强度。
还制备了使用接合剂(cement)和陶瓷材料诸如磷酸钙的植入物。这些接合剂和陶瓷克服了上述的许多问题，因为它们可以直接接触骨并且不表现出许多其它植入物所共有的反应和炎症。另外，因为这些材料是生物相容的，天然骨材料随着时间而缓慢地生长进入植入物。然而，这些接合剂和陶瓷易碎，通常具有较差的抗挠强度，并且在能量吸收方面较弱。另外，所使用的材料一般很难进行雕刻(sculpt)，产生不规则缺陷的问题，以及颗粒从植入位置移动。因此，这些材料尚未被广泛使用，并且当被使用时，一般限于非承重的适应症。
还使用了天然骨，其为大块或为组合物的形式，其组成采用了受到高度关注的骨粒子的集料。目的是更接近地模拟天然骨和增加植入物的强度。其还保持生物相容性并允许骨向内生长和同化。然而，存在骨组分的收集和可利用性的问题。另外，存在与骨移植物或组合物有关的风险和并发症，诸如感染、病毒传播、疾病、排斥和其它免疫系统反应的风险。
除了骨置换之外，还试图置换其它的体组织。各种尝试已使用动物组织来置换人组织，使用来自体内其它部位的组织，或已试图使用合成材料。这些方法全都具有相关的缺陷和缺点。
因此，仍然需要合成的植入物材料，其重量轻、坚固、成本有效、有弹性，并且提供高度的生物相容性，同时表现出与周围的组织和结构的快速同化(integration)。该材料可用于包括但不限于修复、置换、模板辅助组织工程学和其它工程应用的应用。
概述
本发明总地涉及新型的复合生物陶瓷。更具体地说，本发明涉及基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶可成形的生物陶瓷及其制备和使用方法。
在一个方面，描述了包含磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物的可成形的生物陶瓷。
在另一个方面，描述了包含磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物的可成形的生物陶瓷。
在另一个方面，描述了用在组织工程学中的制品，其中该制品包含可成形的生物陶瓷，该可成形的生物陶瓷包含磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物和/或磷酸钙/明胶改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
在又一个方面，描述了用于置换的制品，其中该制品包含可成形的生物陶瓷，该可成形的生物陶瓷包含磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物和/或磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。优选地，置换选自骨置换、牙齿置换、关节置换、软骨置换、腱置换、和韧带置换。
在另一个方面，描述了制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括：
在含水条件下混合氢氧化钙、磷酸和明胶，产生共沉淀的磷酸钙-明胶材料；和
将至少一种硅烷反应物加入到磷酸钙-明胶材料中，产生磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物。
在另一个方面，描述了制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括：
在含水条件下混合氢氧化钙、磷酸和明胶，产生共沉淀的磷酸钙-明胶材料；和
将至少一种溶胶-凝胶前体加入到磷酸钙-明胶材料中，产生磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
在另一个方面，描述了制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括：
在含水条件下混合氢氧化钙、磷酸和明胶，产生共沉淀的磷酸钙-明胶材料；
浓缩磷酸钙-明胶材料以除去过量的水；
将经过浓缩的磷酸钙-明胶材料悬浮在至少一种醇中；
浓缩磷酸钙-明胶材料以除去过量的醇；和
将至少一种硅烷反应物加入到磷酸钙-明胶材料中，产生磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物。
在另一个方面，描述了制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括：
在含水条件下混合氢氧化钙、磷酸和明胶，产生共沉淀的磷酸钙-明胶材料；
浓缩磷酸钙-明胶材料以除去过量的水；
将经过浓缩的磷酸钙-明胶材料悬浮在至少一种醇中；
浓缩磷酸钙-明胶材料以除去过量的醇；和
将至少一种溶胶-凝胶反应物加入到磷酸钙-明胶材料中，产生磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
在另一个方面，描述了制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括将磷酸钙-明胶材料与至少一种硅烷反应物反应以产生磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物。
在另一个方面，描述了制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括将磷酸钙-明胶材料与至少一种溶胶-凝胶反应物反应以产生磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
又一个方面涉及生物陶瓷，包括植入含有生物陶瓷的制品，其中该生物陶瓷包含磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物和/或磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
另一个方面涉及骨再生的方法，包括使用磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物和/或磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
另一个方面涉及软骨再生的方法，包括使用磷酸钙/明胶-改性的二氧化硅(GEMOSIL)纳米复合物和/或磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
本发明的其它的方面、特征和实施方案从以下的公开内容和随附的权利要求书得以更充分的理解。
附图说明
图1是本文描述的可成形的生物陶瓷的实施方案的图示。
图2是制备本文描述的生物陶瓷的工艺步骤的流程图。
图3是制备本文描述的生物陶瓷的工艺步骤的流程图。
发明详述及其优选实施方案
可成形的生物陶瓷据述可用作用于各种身体应用的置换材料。可成形的生物陶瓷包含经过相互混合并基本上均一分散的组合物，该组合物包含羟基磷灰石纳米晶体、明胶纤维和溶胶-凝胶生物陶瓷网络，该网络介于羟基磷灰石-明胶复合物之间。
如图1所示，图1表示本文描述的实施方案，羟基磷灰石纳米晶体被包埋进由含硅的链和明胶纤维形成的基质内。所有的组分基本上分散在复合物内，导致遍及整个复合物的相对一致的性质。本文定义的“基本上分散”和“基本上均一地分散”相当于遍及整个复合物的化学组成的变化低于10％，与在内部或在外部取样无关，优选该变化低于5％，最优选该变化低于2％。
有利地是，本文描述的方法基于溶胶-凝胶过程，其中从溶液合成生物材料在低温下进行，例如在室温下进行，这允许将生物分子和活细胞掺入所述生物材料内。溶胶-凝胶过程是湿法化学技术，凭该技术，化学溶液经历水解和缩聚反应，得到胶体粒子(“溶胶”)诸如金属氧化物。溶胶将形成含有液相的无机网络(“凝胶”)。本文定义的“溶胶-凝胶”材料包括SiO2、TiO2、ZrO2及其组合。
本文定义的“二氧化硅”相当于SiO2。
已经发现明胶可以提供生物活性表面以诱导羟基磷灰石晶体生长。合适的明胶包括高霜(bloom)明胶和低霜明胶。优选使用霜值为约100到约300的明胶。“霜值”是由6又2/3％的明胶溶液形成的凝胶在10℃的恒温浴中保持18小时的强度的量度。最终的生物陶瓷的性质部分地根据所用明胶的特征的不同而异。明胶可以得自多种不同的动物，包括牛和猪。明胶可从多种含胶原蛋白的身体部分(包括骨和皮肤)提取。明胶可根据所需的应用被选择，作为不同的明胶，根据来源和变性程度而异，根据所需的机械性质或生物活性水平而异，可为复合物提供更好的选择。一般地，已经发现牛明胶提供用于许多应用的更好的复合材料。合适的明胶的实例是标准的未经调味的明胶(得自Natural Foods Inc.，Canada)。明胶可在使用前被溶解在溶液中，优选形成含水溶液。明胶可无需纯化或其它制备性步骤即可使用。
在一个方面，描述了基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷，其包含羟基磷灰石纳米晶体、明胶和含溶胶-凝胶的材料。在另一个方面，描述了基于二氧化硅的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷，其包含羟基磷灰石纳米晶体、明胶和含二氧化硅的材料。
明胶可在用于反应混合物前进行改性。优选明胶在用作反应物之前进行至少部分磷酸化。例如，明胶可如下被磷酸化：将磷酸，磷酸铵((NH4)3PO4)，磷酸氢二胺((NH4)2HPO4)，磷酸二氢铵(NH4H2PO4)，磷酸一铵(NH4·H2PO4)，或其组合(得自化合物供应公司，诸如FisherScientific和Sigma Chemical)加入到明胶溶液中，或可将明胶加入到磷酸溶液中。相信磷酸化导致并且能够获得羟基磷灰石纳米晶体的更好的分散和生长。在含有磷酸化明胶的溶液中，一般存在过量的磷酸以用于随后的晶体形成和/或生长。
羟基磷灰石纳米晶体通过在磷酸和/或明胶纤维上的磷酸化位置与氢氧化钙之间的反应形成。磷酸化位置通常是羟基磷灰石晶体生长的起始位置，然而，羟基磷灰石晶体生长还可在溶液中在磷酸与氢氧化钙组分之间发生。这些结晶可通过将它们自身结合到明胶分子上的诸如羧基和酰胺基的基团上而生长并将它们自己包埋进明胶基质结构内。一旦开始，通过将更多的氢氧化钙和磷酸组分掺入晶体内而进行结晶生长。这一反应的产物包含共沉淀的羟基磷灰石-明胶胶体材料。
氢氧化钙可得自诸如Fisher Scientific和Sigma Chemical的化学供应公司。然而，氢氧化钙还可在包括煅烧(calcining)碳酸钙的方法中产生，该方法除去二氧化碳以形成氧化钙。在煅烧后，氧化钙水合物形成氢氧化钙。水合后，可以对氢氧化钙称重作为质量检查。由于氢氧化钙的反应性，氢氧化钙的迅速降解的趋势，应特别当心氢氧化钙以确保氢氧化钙高的质量水平。由于对氢氧化钙的质量的关注，优选在即将使用前制备氢氧化钙。
羟基磷灰石-明胶胶体可被掺入溶胶-凝胶或二氧化硅基质中，有或者没有可除去的活性填充剂和/或其它添加剂以产生本文描述的可成形的生物陶瓷，如图2的示意图所示。尽管不希望束缚于理论，认为羟基磷灰石-明胶胶体至少部分地溶解在溶胶-凝胶或二氧化硅基质中，产生强结合。被预计用于溶胶-凝胶或二氧化硅基质的硅烷反应物包括但不限于：原硅酸四甲酯(TMOS)，原硅酸四乙酯(TEOS)，3-氨基丙基三甲氧基硅烷，二[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-乙二胺，二[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]-乙二胺，甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，聚二甲基硅烷(PDMS)，丙基三甲氧基硅烷(PTMS)，甲基三乙氧基硅烷(MTES)，乙基三乙氧基硅烷，二甲基二乙氧基硅烷，二乙基二乙氧基硅烷，二乙基二甲氧基硅烷，二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-N-甲基胺，3-(2-氨基乙基氨基)丙基三乙氧基硅烷，N-丙基三乙氧基硅烷，3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷，甲基环己基二甲氧基硅烷，二甲基二甲氧基硅烷，二环戊基二甲氧基硅烷，3-[2(乙烯基苄基氨基)乙基氨基]丙基三甲氧基硅烷，3-氨基丙基三乙氧基硅烷，3-(氨基丙基)二甲基乙氧基硅烷，3-(氨基丙基)甲基二乙氧基硅烷，3-(氨基丙基)甲基二甲氧基硅烷，3-(氨基丙基)二甲基甲氧基硅烷，N-丁基-3-氨基丙基三乙氧基硅烷，N-丁基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷，N-(β-氨基乙基)-γ-氨基-丙基三乙氧基硅烷，4-氨基-丁基二甲基乙氧基硅烷，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷，3-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷，或其组合。优选地，硅烷反应物包含至少一种含氨基的硅烷反应物。预计用于溶胶-凝胶基质的钛反应物包括但不限于异丙醇钛。预计用于溶胶-凝胶基质的锆反应物包括但不限于乙醇锆、丙醇锆和氧化锆。
本文还涵盖了可将本领域公知的羟基磷灰石-胶原蛋白胶体掺入溶胶-凝胶或二氧化硅基质内，有或者没有可除去的活性填充剂和/或其它添加剂，以产生可成形的生物陶瓷。
重要地是，至少一种溶胶-凝胶反应物的使用导致形成短链生物陶瓷氧化物网络，其中截留基本上分散的羟基磷灰石-明胶胶体材料。例如，至少一种硅烷反应物导致形成短链生物陶瓷二氧化硅网络，其中截留基本上分散的羟基磷灰石-明胶胶体材料。优选至少一种硅烷反应物包括至少一种含氨基的硅烷化合物。氨基硅烷化合物提供足够的结合强度以固定(harness)无机相和有机明胶分子。另外，当使用含氨基的硅烷化合物时，固化反应更迅速。尽管如此，为了更好地控制反应速度和终产物，含氨基的硅烷化合物可含有一定量的至少一种不含氨基的硅烷化合物。可以通过调节不含氨基的硅烷化合物相对于含氨基的硅烷化合物的量来控制固化反应速率和总产物。另外，基于二氧化硅的网络可另外含氧化钛和氧化锆。
惰性填充剂材料包括但不限于乳酸-乙醇酸共聚物，聚乳酸，聚乙醇酸，聚丙烯酸，聚环氧乙烷，磷酸钙，氯化钾，碳化钙，氯化钙，氯化钠，聚苯乙烯，及其组合。一些惰性填充剂可用GEMOSIL纳米复合物固化以用作结构模板，包括但不限于聚(N-异丙基丙烯酰胺)和氯化钙。聚(N-异丙基丙烯酰胺)在形成生物陶瓷后通过降低温育温度而从生物陶瓷中被除去。氯化钙可在形成生物陶瓷后使用水从生物陶瓷中被除去。这些填充剂可根据需要被除去以产生用于生物医学应用的多孔结构。
对于孔隙度，考虑使用盐浸出技术、气泡引入(例如使用惰性气体)和加入低温起泡剂来控制生物陶瓷中的孔大小。
与本文描述的新型的基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷有关的优点包括但不限于：与基于碳的生命形式的相容性，类似于羟基磷灰石-明胶复合物的良好的机械强度，比常规的生物玻璃具有更好的弹性，优异的耐压强度，用于搭支架的极好的可成形性和上调细胞分化。
在另一个方面，描述了制备基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷的方法，该方法使用溶胶-凝胶反应，该反应包括水解和缩合。在一个实施方案中，描述了制备基于二氧化硅的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷的方法，该方法使用溶胶-凝胶反应，该反应包括水解和缩合。在下文将讨论制备所述的基于二氧化硅的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷的方法。
有利地，如本文所述，制备生物材料的溶胶-凝胶方法不需要羟基磷灰石粉末干燥过程，其如果使用的话，导致样品过度收缩，延长工艺时间，和材料损耗。尽管如此，根据所需产品和加工条件而异，可以希望干燥的羟基磷灰石-明胶胶体。另外，该方法不消耗大量的羟基磷灰石-明胶材料，其获得的生物材料比先前报道的生物材料具有实质上更低的密度。
任选地，可将其它组分或添加剂加入到可成形的生物陶瓷中。这些添加剂可因种种理由而被加入。例如，可加入添加剂以提高生物相容性，降低排斥的可能性，降低感染的风险，增加在生物陶瓷中的天然骨生长速率，或增加在植入物附近的天然细胞生长速率。还可加入添加剂以改变或增强生物陶瓷的一些性质。例如，生物陶瓷可包含生长因子、细胞、其它材料和组分、固化或硬化组分和其它可能的添加剂。重要地是，本文描述的基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷可在材料的表面上或中容纳添加剂。
其它益处中，生长因子可帮助提高自然生长，包括天然组织和骨生长进仿生纳米复合物的区域内。合适的生长因子的实例包括但不限于：骨形态发生蛋白(BMP)，转化生长因子(TGF-β)，血管内皮细胞生长因子(VEGF)，基质gla蛋白(MGP)，骨唾液酸蛋白(BSP)，骨桥蛋白(OPN)，骨钙素(OCN)，胰岛素样生长因子(IGF-I)，双糖链蛋白聚糖，核因子κB配体的受体激活剂(RANKL)，和I型前胶原(Pro COL-α1)。
或者，可将细胞加入到生物陶瓷中以便增加在生物陶瓷区域内的天然骨生长速率。可将前体细胞加入到生物陶瓷中以加速天然细胞生长的速率。合适的细胞包括但不限于成骨细胞，破骨细胞，骨细胞，和多能干细胞。
任选地，可将其它材料和组分加入到生物陶瓷中。可加入组分和材料为生物陶瓷提供辅助特征、性质或外观，或用于其它原因。合适的组分的实例包括氟化物、钙、其离子，或其它的组分和离子。其它合适的材料的实例包括聚合物，陶瓷粒子，不透辐射组分，金属，和其它材料。生物陶瓷可多样地包括陶瓷粒子，氟化物，钙，和/或不透辐射材料。
作为另外的选择，可将固化(curing)添加剂加入到生物陶瓷中。合适的固化剂包含光可固化的试剂和紫外线可固化的试剂(例如紫外线可固化的硅烷)。固化剂能够使得生物陶瓷更迅速硬化并使得生物陶瓷可用于多种应用。例如，可将生物陶瓷的糊状物和粘性混合物施用于骨或牙齿的区域，然后原地迅速固化直到变硬。该方法可能改善预后和减少患者恢复时间。
其它任选的添加剂的实例包括生长抑制剂，药学药物，抗炎药，抗生素，和其它化学品，组合物，染料或药物。这些可用在生物陶瓷的各种应用中。例如，可使用生长抑制剂来防止某些不希望的细胞的向内生长，因此生物陶瓷仍然最有效地发挥作用。可使用抗生素来降低在治疗区域周围的感染的可能。可使用药学药物、抗炎药和抗生素来减少炎症，较少出血，增加痊愈，或用于其它用途。
生物陶瓷可用于各种异质移植物(alloplastic)用途，用于多种目的，并用于多种应用。异质移植物是指合成生物材料，其与天然生物材料相对比，可得自相同的个体(同源)，得自相同的物种(异源)或得自不同物种(异体)。生物陶瓷的性质可经过改性以更好地符合其预定使用的用途、目的或应用的要求。这些性质部分地取决于所用的明胶、纤维和链的排列、纳米粒子形成的程度和纳米粒子的化学计量，以及所用的硅烷反应物的量和类型。因此，得到的生物陶瓷可具有多种机械性质。例如，生物陶瓷的孔隙度可根据所使用的硅烷反应物的不同而异。更长的固化时间一般导致形成更多孔的生物陶瓷，其中可通过增加不含氨基的硅烷反应物相对于含氨基的反应物的量来实现更长的固化时间。
这些不同的性质导致生物陶瓷用在较宽范围的组织工程应用的能力。例如，生物陶瓷可被制备在支架中，其可递送细胞、生长因子和其它添加剂到愈合部位。其可用于骨、软骨和其它组织的再生。可使用纳米级的微结构促进细胞粘着、生长和分化。或者，生物陶瓷可用于对异质移植物进行工程改造。因此，可使用组织工程化来置换或增强许多的天然人体组织。可使用这些类型的结构使组织再生，并且可使用添加剂来弥补患者的缺陷。还可有效地使用其它的促进生物陶瓷与天然组织快速同化的结构。例如，可将生物陶瓷结构植入到骨内，其然后用于刺激骨再生。作为另一个实例，可植入生物陶瓷用于软骨置换，其可刺激软骨再生。
生物陶瓷可被制成不同的形式，根据所需用途和目的的不同而异。合适的形式包括固体、油灰状、糊状和液体。如果生物陶瓷为固体形式，其可能为例如有形的或无形的固体，其可为预成形的固体，其可为框架(frame)或网格形式，或为其它的固体形式。生物陶瓷可成形多孔支架。所述固体形式可非常坚硬，坚硬，微挠性，柔软，橡胶状的，等。生物陶瓷可为油灰(putty)。如果为油灰形式，其可从浓稠油灰到稀油灰之间变化。生物陶瓷可为糊状物。如果为糊状物，其可从浓稠糊状物到稀糊状物之间变化。如果为液体，其可从非常粘到非常稀之间变化。
由于生物陶瓷可被制成多种形式，因此生物陶瓷适用于各种用途。生物陶瓷的用途包含但不限于：用于骨，诸如用于骨移植材料，骨接合剂或骨置换；用于牙科过程，诸如牙科植入物，填充，颌加固或牙齿置换；用于关节置换；用于软骨置换或加固(reinforcement)；用于腱或韧带的置换或修复；和各种组织工程应用，包括帮助身体组织的再生。
生物陶瓷的一个应用是替换身体内的骨材料。生物陶瓷可具有与天然骨类似的性质。例如，本文描述的生物陶瓷可具有与天然骨类似的强度模数。具有类似的强度模数的益处是生物机械不匹配问题诸如应力遮蔽效应可被最小化。纳米压痕(Nanoindentation)是机械微探针方法，其能够指导并同时测量强度模数和硬度。试验方法的分辨率使得能够在极微水平下测量骨和材料。纳米压痕技术更详细地讨论于Ko，C.C.等人，Intrinsic mechanical competence of cortical and trabecular bonemeasured by nanoindentation and microindentation probes，Advances inBioengineering ASME，BED-29：415-416(1995)中。可使用MTS纳米压痕机XP(得自MTS Systems Corporation，Eden Prairie，Minn.)进行试验。使用的方法描述于Chang M.C.等人，Elasticity of alveolar bone neardental implant-bone interfaces after one month′s healing，J.Biomech.36：1209-1214(2003)中。
另外，可以检验和比较生物陶瓷和各种天然骨的耐压强度。生物陶瓷可具有可与天然骨相比的耐压强度。耐压强度试验可使用Instron4204试验器(得自Instron Corporation，Canton，Mass.)进行。根据ASTMC39“Standard Test Method for Compressive Strength of CylindricalConcrete Specimens，”进行试验，并且可包括使用高度与直径比为2∶1的圆柱试样。
描述了制备可成形的生物陶瓷的方法。包括制备本文描述的生物陶瓷的主要工艺步骤的流程图如图2和图3所示。设置反应器的温度控制和搅拌。使用高度搅拌将氢氧化钙、磷酸和明胶的混合物混合在一起。这些组分应该尽可能纯，以使任何可削弱获得的生物陶瓷的污染物最小化。优选在使用前将购买或制备的组分置于溶液中。更优选所述组分在含水溶液中。可立刻添加各种组分，或者可缓慢加入各种组分。如果将组分缓慢加入，溶液中的组分可使用泵，诸如蠕动泵(诸如Masterflex，得自Cole-Parmer)。
可单独加入明胶(参见图2)，或者，可在加入之前将其与其它组分之一预混合在一起。优选将明胶与磷酸预混合以便使明胶至少部分磷酸化(参见图3)。已经发现这样导致纳米晶体的更好的分散和生长。可将明胶溶解在溶液中并将磷酸加入到溶液中，或可将明胶加入到磷酸中并使其溶解在其中，优选后一种方式。为了帮助溶解混合物，可将温度控制为约35℃到40℃之间，并在加料和溶解期间搅拌混合物。可使用各种明胶浓度。优选该浓度大于约0.001mmol，大于约0.01mmol，或大于约0.025mmol。优选该浓度为100mmol或更低，10mmol或更低，或1mmol或更低。
为了使明胶能够充分磷酸化，该混合将持续进行一段时间。适当地，混合持续至少约2小时。优选混合物被混合至少约5小时。适当地，混合持续少于约24小时。优选混合持续少于约18小时，更优选少于约12小时。已经发现不充分的混合时间导致明胶磷酸化的量不那么理想，并且在随后的过程中后导致更大的，分散性不那么好的晶体。当混合更长的时段后，明胶开始丧失其与其它组分反应的能力，结果是在随后的过程中晶体不再被明胶那么充分地保持。保持晶体的能力以及使明胶与羟基磷灰石配位的能力随时间下降，直到其在混合24小时后急剧下降。已经发现，得到的中间体浆料根据磷酸化时间而显示不同的质量和胶凝状态。
制备后，使用搅拌并同时控制pH和温度，将钙、磷酸、和明胶组分(或钙、磷酸化明胶、和任选的另外的磷酸)一起加入。当加入组分物流时，开始发生共沉淀。该共沉淀导致在明胶内和/或上形成羟基磷灰石纳米晶体。优选地，保持条件和组分浓度使得继续进行高速搅拌和受控条件导致继续形成羟基磷灰石纳米晶体，而不导致大晶体的生长。在高速搅拌下，该混合物形成胶质浆料。
在加入组分以及在搅拌期间，可控制混合物的pH。适当地，所述pH可被控制大于约7.0，优选大于约7.5，更优选大于约7.8。适当地，所述pH可被控制低于约9.0，优选低于约8.5，更优选低于约8.2。可使用反应过程的组分、使用本领域已知的方法来控制pH。例如，可使用pH调控器(诸如Bukert 8280H，得自Bukert)来测量pH并控制用来加入各种组分的泵的作用。
在加入组分和搅拌期间还可控制混合物的温度。优选该温度使用水浴(例如得自Boekel)进行控制，通过许多其它的温度控制手段也是合适的。适当地，该温度被控制大于约30℃，优选大于约34℃，更优选大于约36℃。适当地，该温度被控制低于约48℃，优选低于约45℃，更优选低于约40℃。在太低的温度下，没有足够的导致晶体生长良好的能量。在过高的温度下，晶体生长大于所需的大小。
共沉淀的特征在于低成本的简单过程，其容易采用并且适合于工业生产。另外，通过共沉淀制备的羟基磷灰石晶体一般具有尺寸非常小、结晶度低和表面活化高的益处。这使得生物陶瓷能够满足许多不同的需求。
经过适当控制，共沉淀导致形成羟基磷灰石纳米晶体的均一分散体。适当地，钙和磷酸根将以足够的量存在，以便能够进行羟基磷灰石纳米晶体的形成和生长。优选地，钙的摩尔数与存在的磷酸根(作为游离磷酸根和/或磷酸化明胶)的摩尔数的比率为约1.5到约2.0，更优选为约1.6到约1.75，最优选约1.65到约1.70。形成的纳米晶体可为针状，片板，或者可具有其它的晶体形状。优选地，形成羟基磷灰石晶体为针状。
在将所有组分加入到共沉淀反应中后，停止搅拌。可使用离心对羟基磷灰石-明胶浆料进行浓缩以除去过量的水。之后，可将羟基磷灰石-明胶胶体残余物以0.1∶100(醇比浓缩期间被除去的水)、优选1∶1的比率悬浮在醇中，然后离心，以得到在醇中的羟基磷灰石-明胶胶体残余物。醇可为直链或支链的C1-C4醇(例如甲醇，乙醇，丙醇，丁醇)，C2-C4二醇和聚乙二醇。优选该醇包括甲醇。或者，可使用甘油代替醇，或可以使用甘油与醇的组合。
形成方法基于包括水解和缩合的溶胶-凝胶反应。重要地是，该方法不需要本领域已知的其它方法所要求的粉末干燥过程，然而，根据所需产品和加工条件而异，可能需要干燥的羟基磷灰石-明胶胶体。将在醇中的羟基磷灰石-明胶胶体残余物转移到另一个反应烧瓶中，该反应烧瓶被设置为高速搅拌和温度控制。在剧烈搅拌下，在约-30℃到约30℃的温度下，将一种或多种溶胶-凝胶例如硅烷反应物和任选的至少一种惰性填充剂和/或其他添加剂加入到烧瓶中。在停止搅拌后，使混合物固化足够的时间，例如，固化时间可为约1分钟到约1小时，优选约1分钟到约30分钟。优选地，溶胶-凝胶例如硅烷反应物包括至少一种含氨基的硅烷化合物，并且明胶∶溶胶-凝胶反应物的比率为约10到约0.1，取决于生物陶瓷产品的所需机械强度。
至少一种溶胶-凝胶反应物可以各种量被加入，取决于生物陶瓷的所需性质以及其它组分的浓度。溶胶-凝胶反应物可被直接加入，或更优选作为含水溶液或混合物被加入。可选择加入量以便帮助获得具有所需性质的生物陶瓷。可将溶胶-凝胶反应物同时或在一段时间内加入到其它组分中。正如上文所述的，优选地，至少一种溶胶-凝胶反应物包括含氨基的硅烷反应物。也就是说，包含不含氨基的硅烷反应物将使溶胶-凝胶反应减慢，并导致更多孔的和更易处理的生物陶瓷。
固化后，可从基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶生物材料中除去水。例如，水的除去(a)可在室温下和大气压力下进行，可花费约2小时到约12小时的时间干燥，取决于温度和湿度；(b)在升高的温度和大气压力下进行，以更迅速地除去水；(c)在超临界条件下使用超临界流体例如CO2作为干燥剂进行，如本领域技术人员所理解的；或(d)在减压下使用具有干燥剂的封闭空间。可使用大量的经过离子交换的、重蒸馏的水以在进行干燥前洗涤仿生纳米复合物。
可从潮湿的生物陶瓷(在干燥前)成形产物或形状，或者可无需成形而对生物陶瓷干燥。潮湿的材料或潮湿的形状可被贮存用于随后的用途，或者可进行干燥。定型的或未定型的生物陶瓷，潮湿的或干燥，可被贮存用于随后的用途，作为在标准大气压下稳定的生物陶瓷。另外，可随后将产品切割或从未成形的和未定型的生物陶瓷定型。
任选地，可将其它的组分或添加剂，诸如本申请前述的那些，加入到生物陶瓷中。可在加工期间并在从初始步骤到最后步骤之间的任何阶段加入所述组分。另外，可将其它组分加入到最终的生物陶瓷中，无论该最终的生物陶瓷是潮湿的或是干燥的，以及无论该生物陶瓷是未成形的或成形的。
在另一个方面，本文描述的羟基磷灰石-明胶材料可进行干燥并随后与本文所述的至少一种溶胶-凝胶例如硅烷反应物混合。使用经过干燥的羟基磷灰石-明胶材料的方法的优点是使得当时间是要素时，例如在手术过程期间，使生物陶瓷的制备时间最小化。
在又一个方面，涵盖了制备基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-胶原蛋白生物陶瓷的方法，该方法使用溶胶-凝胶反应，该反应包括水解和缩合，所述方法类似于上述的使用溶胶-凝胶反应制备基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石-明胶生物陶瓷的方法。
在另一个方面，可以使用“双囊封”技术合成功能性GEMOSOL，其中包括但不限于蛋白质，生长因子，活性药物和活细胞的被截留的试剂能够被截留在GEMOSOL材料内。双囊封是指在GEMOSOL构造内的球状膜，其中该膜包括聚(N-异丙基丙烯酰胺)，GEMOSOL，或其组合。
***
因此，尽管本文已经在本发明的特定方面、特征和示例性实施方案方面对本发明进行了描述，但是可以理解的是，本发明的实用性不受此限制，而是被延伸至并涵盖许多其它的方面、特征和实施方案，其得自在被吸附的大分子与大分子组件的分子(化学和物理)结合中由吸附所诱导的张力。因此，本发明的权利要求意在被宽泛地限定为包括在它们的精神和范围内的所有这些方面、特征和实施方案。

Claims (34)

1.可成形的生物陶瓷，其包含磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
2.权利要求1的生物陶瓷，其中磷酸钙包括羟基磷灰石。
3.权利要求1或2的生物陶瓷，其中磷酸钙的钙∶磷酸的比为约1.65到约1.70。
4.权利要求1或2的生物陶瓷，其中GEMOSOL纳米复合物包含二氧化硅。
5.权利要求1或2的生物陶瓷，其中GEMOSOL纳米复合物包含磷酸化明胶。
6.权利要求1的生物陶瓷，其中生物陶瓷的磷酸钙、明胶和溶胶-凝胶组分基本上是分散的。
7.权利要求4的生物陶瓷，其中生物陶瓷的磷酸钙、明胶和二氧化硅组分基本上是分散的。
8.权利要求1的生物陶瓷，还包含至少一种添加剂，所述添加剂选自生长因子，细胞，药学药物，抗炎药，抗生素，染料，及其组合。
9.权利要求8的生物陶瓷，其中生长因子包括BMP，TGF-β，VEGF，MGP，BSP，OPN，OCN，IGF-I，双糖链蛋白聚糖，RANKL，Pro COL-α1，及其组合。
10.权利要求8的生物陶瓷，其中细胞包括成骨细胞，破骨细胞，骨细胞，和/或多能干细胞。
11.用于组织工程学的制品，其中该制品包含权利要求1的生物陶瓷。
12.用于置换的制品，其中该制品包含权利要求1的生物陶瓷。
13.权利要求12的制品，其中置换选自骨置换，牙齿置换，关节置换，软骨置换，腱置换，和韧带置换。
14.制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括：
在含水条件下混合氢氧化钙、磷酸和明胶，产生共沉淀的磷酸钙-明胶材料；和
将至少一种溶胶-凝胶反应物加入到磷酸钙-明胶材料中，产生磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
15.权利要求14的方法，其中磷酸钙包括羟基磷灰石。
16.权利要求14或15的方法，其中磷酸钙的钙∶磷酸的比为约1.65到约1.70。
17.权利要求14的方法，其中明胶包括磷酸化明胶。
18.权利要求14的方法，其中至少一种溶胶-凝胶反应物包括至少一种硅烷。
19.权利要求18的方法，其中至少一种硅烷反应物包括选自以下的物质：原硅酸四甲酯(TMOS)，原硅酸四乙酯(TEOS)，3-氨基丙基三甲氧基硅烷，二[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-乙二胺，二[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]-乙二胺，甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，聚二甲基硅烷(PDMS)，丙基三甲氧基硅烷(PTMS)，甲基三乙氧基硅烷(MTES)，乙基三乙氧基硅烷，二甲基二乙氧基硅烷，二乙基二乙氧基硅烷，二乙基二甲氧基硅烷，3-(2-氨基乙基氨基)丙基三乙氧基硅烷，N-丙基三乙氧基硅烷，3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷，甲基环己基二甲氧基硅烷，二甲基二甲氧基硅烷，二环戊基二甲氧基硅烷，3-[2(乙烯基苄基氨基)乙基氨基]丙基三甲氧基硅烷，3-氨基丙基三乙氧基硅烷，3-(氨基丙基)二甲基乙氧基硅烷，二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-N-甲基胺，3-(氨基丙基)甲基二乙氧基硅烷，3-(氨基丙基)甲基二甲氧基硅烷，3-(氨基丙基)二甲基甲氧基硅烷，N-丁基-3-氨基丙基三乙氧基硅烷，N-丁基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷，N-(β-氨基乙基)-γ-氨基-丙基三乙氧基硅烷，4-氨基-丁基二甲基乙氧基硅烷，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷，3-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷，及其组合。
20.权利要求18的方法，其中至少一种硅烷反应物包括含氨基的硅烷化合物。
21.权利要求14的方法，其中磷酸钙-明胶材料在约7.0到约9.0的pH下产生。
22.权利要求14的方法，其中磷酸钙-明胶材料在约30℃到约48℃的温度下产生。
23.权利要求14的方法，还包括在加入至少一种溶胶-凝胶反应物之前对磷酸钙-明胶材料进行浓缩以除去过量的水。
24.权利要求23的方法，其中所述的磷酸钙-明胶材料使用离心进行浓缩。
25.权利要求23的方法，还包括在加入至少一种溶胶-凝胶反应物之前将经过浓缩的磷酸钙-明胶材料悬浮在至少一种醇中。
26.权利要求25的方法，还包括在加入至少一种溶胶-凝胶反应物之前对磷酸钙-明胶材料进行浓缩以除去过量的醇。
27.权利要求14的方法，其中至少一种溶胶-凝胶反应物在约-30℃到约30℃的温度下加入。
28.权利要求14的方法，其中磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物固化历时约1分钟到约1小时。
29.权利要求14的方法，还包括对磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物进行干燥。
30.制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括将磷酸钙-明胶材料与至少一种硅烷反应物混合以产生磷酸钙/GEMOSIL纳米复合物。
31.制备可成形的生物陶瓷的方法，所述方法包括将磷酸钙-胶原蛋白材料与至少一种溶胶-凝胶反应物混合以产生磷酸钙/胶原蛋白-改性的溶胶-凝胶纳米复合物。
32.使用生物陶瓷的方法，包括植入包含生物陶瓷的制品，其中生物陶瓷包含磷酸钙/明胶-改性的溶胶-凝胶(GEMOSOL)纳米复合物。
33.骨再生的方法，包括使用权利要求1的生物陶瓷。
34.软骨再生的方法，包括使用权利要求1的生物陶瓷。
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